高频电子技术776

高频电子技术第2版第1章高频电子技术概论信息传输的发展无线电通信系统和无线电波特性无线电信号的产生与发射无线电信号的接收信息的传输信息和传输技术在现代社会是极为重要的。信息的传输也就是通信，所谓通信就是通过第三方（人或设备系统）传输和交换信息的过程。通信是快速、准确地获取和掌握信息的重要方式。在各种信息传输技术中，无线电通信是最方便的。无线电通信现在人们可用移动电话方便自由地通话，可用收音机收听各个国家的无线电广播，可用电视机收看世界各地的电视节目，基本实现了古代人民千里眼、顺风耳的愿望。高频电子线路(highfrequencyelectroniccircuit)就是研究解决无线电通信、广播和电视中有关技术问题的学科。

无线电通信系统

无线电通信在信息传输中的重要作用，下面对无线电通信系统进行简要介绍。无线电通信系统由发射装置(transmittingset)、传输媒质(transmissionmedium)和接收装置(receiver)构成，如图1－1所示。图1—1无线电通信系统组成框图

信息源发出需要传送的信息，如声音、图像和文字等，由变换器（convertor）把这些原始信息变换成相应的电信号，然后由发射机（transmitter）把这些电信号变换成高频振荡信号，发射天线（transmittingantenna）再将高频振荡信号变换成无线电波（radiowave），向空间发射。无线电波的传输媒质是自由空间。接收天线将接收到的无线电波变换成高频振荡信号，接收设备把高频振荡信号变换成低频电信号，再由变换器还原成原来传递的信息（声音、图像、文字等），最后信息接收人就收到传递的信息。无线电波的传播速度极快，与光速相同，约为30万km/s。无线电波的波长（wavelengh）、频率（frequency）和传播速度的关系如下式：λ=c/f式中，λ是波长（m）；c是传播速度（m/s）；f是频率（Hz）由上式可知，因传播速度固定不变，频率越高，波长越短；频率越低，波长越长。无线电波的频率相差很大，因而波长变化很大。不同波长的无线电波传播规律不同，应用范围也不同，因此通常把无线电波划分成不同波段。表1-1列出了常见的波段名称、波长范围、频段名称、频率范围和主要用途。表1-1常用电磁波的波段和频率图1—2无线电波的传播方式

波长不同的无线电波在空间的传播特性不同，长波（longwave）和中波（mediumwave）的波长较长，遇障碍物绕射能力强，且地面的吸收损耗较少，可沿地面远距离传播，所以长波和中波的通信和广播主要以地波方式传播。短波（shortwave）的波长较短，地面绕射能力弱，且地面吸收损耗较大，不宜地面传播，但短波能被天空的电离层（ionosphere）反射到远处，因此短波的通信和广播主要以天波方式传播。波长比短波更短的无线电波称为超短波（ultrashortwave）。超短波的波长很短，往往小于地面障碍物（如山峰、建筑物等）的尺寸，所以不能绕过，且地面吸收损耗很大，所以不能以地波方式传播。调频（frequencymodulation）无线电广播、无线电电视广播和无线寻呼等均属超短波通信，只能以直线波方式传播。波长比超短波更短的无线电波称为微波（microwave）。微波的波长非常短，它的特性与超短波类似，而且空间直线传播的特性更明显。移动通信（mobilecommunication）、空间遥测、雷达导航、蓝牙技术、卫星和空间通信等均属微波通信。波长比微波更短的是光线（light），光线本质上也是一种电磁波。光线包括红外线（Infraredlight）、可见光和紫外线（ultravioletradiation），光线在空间都是直线传播。红外线控制技术在彩色电视和电子设备的遥控上已广泛使用，光纤通信（opticalfibercommunication）不易受干扰可进行远距离、高速率的数据通信，它们都属于光通信范畴。无线电信号的产生与发射在无线电通信的发射部分，原始信息（声音、图像、文字等）由变换器转换成相应的电信号，这些电信号的频率对应于原始信息的频率，称为基带信号(basebandsignal)。基带信号的特点是：频率较低，相对频带较宽。调制要实现无线电通信，首先必须产生高频(highfrequency)振荡信号，再把基带低频(lowfrequency)信号加到高频振荡信号上，去控制它的参数，这称为调制(modulation)，然后把已受基带低频信号调制的高频振荡信号放大后经发射天线发射出去，这样的高频已调无线电波就携带了基带低頻信号一起发射。调幅、调频和调相高频载波通常是一个正弦波振荡信号，有振幅、频率和相位三个参数可以改变。用基带信号对载波进行调制就有调幅、调频和调相三种方式。（1）调幅（AmplitudeModulation，AM）载波的频率和相位不变，载波的振幅按基带信号的变化规律变化。调幅获得的已调波称为调幅波。中短波广播和电视的高频图像信号都是调幅波。（2）调频（FrequencyModulation，FM）载波的振幅不变，载波的瞬时频率按基带信号的变化规律变化。调频获得的已调波称为调频波。调频广播和电视的高频伴音信号都是调频波。（3）调相（PhaseModulation，PM）载波振幅不变，载波的瞬时相位按基带信号的变化规律变化。调相获得的已调波称为调相波。调频和调相又统称为调角。由于调幅应用较早而且使用广泛，现以图1-3所示的调幅发射机为例来说明发射设备的主要组成。

图1—3调幅广播发射机框图发射机通常由高频、低频、电源和天线4部分组成。高频部分包括主振荡器（masteroscillator）、缓冲放大器（buffer）、倍频器（frequencydouble）、中间放大器、末级功率推动和末级（受调）功率放大器（modulatedamplifier）。主振荡器的作用是产生频率稳定的高频振荡，现多采用石英晶体振荡器。缓冲放大用来减轻后级对主振荡器的影响。因石英晶体产生的振荡频率不能太高，用倍频器来提高频率。倍频后还需多级放大，以达到推动末级功放的电平。末级高频功放则将输出功率提高到所需的发射功率，并受低频功率电平的调制。低频部分包括声电变换器（话筒）、前置放大、低频电压放大与低频功率放大。用于实现声电变换，并将音频信号逐级放大到调制所需要的功率，对末级高频功放进行调制。电源部分给各部分电路提供直流电能。天线部分把调制器送来的高频已调波信号通过天线以电磁波形式辐射出去。无线电信号的接收

无线电信号的接收是发送的逆过程，其作用是对载有信息的高频已调波信号接收处理，从中获得需要的信息。现以调幅广播的接收为例介绍无线电信号的接收过程。图1-6超外差式接收机框图与直接放大式接收机相比，超外差式接收机增加了混频和本机振荡电路。混频电路是用晶体管的频率变换作用，把选频电路的外来高频已调波信号，与本机振荡电路所产生的本机高频振荡信号两个频率相混合，混频器（mixer）的输出就会产生新的差频，这个差频的频率是本机振荡频率与外来高频信号频率之差。混频器的输出选频电路选出这个差频，这个差频通常称为中频（intermediatefrequency）。我国中、短波调幅广播接收机的中频是465kHz。这就要求本振频率比外来信号频率超出一个差频，这就是超外差式接收机名称的由来。由于超外差式接收机的中频是固定不变的，不随外来高频信号频率改变而变化，不管是频段的高端还是低端，经混频后获得的中频都是一样的。这样在某一频段内高端和低端电台信号的中频放大倍数都是相同的，整个频段的接收效果是均衡的。中频放大器的工作频率较低，且固定不变，其性能可做得很好。而且可设有几级中频放大，每级都有选频回路，这样放大倍数很高，整机灵敏度就高，选择性也好。由于超外差式接收机具有这些优点，现在常用的收音机、电视机和移动电话等都是采用超外差式的接收方式。本章介绍了无线电广播发射与接收的基本原理和工作过程，传输的信息是声音。对于传输其他形式的信息，无线电波发送与接收的基本原理和工作过程也是相同的。本书后面各章将分别介绍设备中的选频与滤波电路、高频小信号放大器、正弦波振荡器、高频功率放大器、混频器、振幅调制电路和检波器、角度调制电路和鉴频器与鉴相器、以及反馈控制电路和频率合成器等内容。本章小结1.在各种信息传输技术中，无线电通信是最方便的。高频电子技术就是研究解决无线电通信、广播和电视中有关技术问题的学科。2.无线电通信系统由发射装置、传输媒质和接收装置构成。无线电波的频率相差很大，因而波长变化很大。不同波长的无线电波传播规律不同，应用范围也不同，因此通常把无线电波划分成不同波段。3.对于无线电通信的发射，原始信息由变换器变换成相应的电信号，再对高频载波进行调制，经放大等处理后由天线把高频已调波发射出去。调制有调幅、调频和调相3种方式。4.无线电信号的接收是发送的逆过程，其作用是对载有信息的高频已调波信号接收处理，从中获得需要的信息。第2章选频和滤波电路无线电信号有不同波段，它们的频率相差很大，用途也各不相同。如调幅广播中波的频率范围为526.6～1606.5KHz，调幅广播短波的频率范围为2～18MHz，调频广播的频率范围为87～108MHz。要选择所需要的某一波段或频段的信号接收，首先就要选频和滤波。LC谐振回路是最常用的选频网络携带有用信息的高频已调波信号特点是频率高，相对頻带宽度较窄。要从多个高频信号中选取需要接收的信号，选频和滤频电路不可缺少。LC谐振回路是常用的选频网络，它有串联回路和并联回路两种类型。2.2串联谐振回路在LC谐振回路中，当信号源与电容、电感以及负载串接，就组成串联谐振（seriesresonance）回路。如图2-1所示，其中是负载电阻，r是电感L的损耗电阻。串联谐振回路的主要参数。1.回路总阻抗

2.回路谐振频率在某一特定频率时，回路电抗为0，回路总阻抗为最小值，回路电流达到最大值，回路发生谐振。谐振角频率

谐振频率为

3.回路空载品质因数（qualityfactor）

回路有载品质因数

4.空载回路电流谐振时空载回路电流在空载时，任意频率下的回路电流与谐振时回路电流之比为式（2-8）的模值为电流矢量的幅频特性为相频特性为5.单位（归一化）谐振曲线回路电流幅值与信号电压频率之间的关系曲线称为谐振曲线。串联谐振时，回路阻抗最小，回路电流达到最大值。在空载时，任意频率下的回路电流与谐振时回路电流之比称为单位（归一化）谐振函数。曲线称为单位谐振曲线。定义ε为相对失谐，当失谐（detuning）很小所以有式（2-14），根据式（2-14）可作单位谐振曲线。

图2－2谐振回路的单位谐振曲线

6.回路选择性由图2-2可看出回路对偏离谐振频率信号的抑制作用，偏离越大，幅值越小。而且回路Q值越大，曲线就越尖锐，回路选频性能就越好；回路Q值越小，曲线就越平缓，回路选择性（selectivity）就越差。7.回路通频带

接收的高频已调波信号不是一个单一的频率，而是包含调制信号在内的一个频带。为了衡量回路对不同频率信号的通过能力，定义单位谐振曲线时所对应的频率范围为回路的通频带。有载时由上式可知通频带与回路Q值成反比，回路的Q值又代表回路的选择性，即回路的通频带和选择性是互相矛盾的两个性能指标。实际谐振回路Q值越高，谐振曲线就越尖锐，选择性就越好，而通频带就越窄；如果要增宽频带，就要使Q值下降，而这样选择性就差了。8.矩形系数理想谐振回路，其幅频特性曲线应是通频带内平坦，对信号无衰减，其值为1；而在通频带外，任何频率都不能通过，其值为0。如图2-2所示，理想谐振回路的幅频特性曲线是高度为1，宽度为的矩形。显然实际谐振回路距离理想回路是有差距的，为比较实际幅频特性曲线偏离（或接近）理想幅频特性曲线的程度，可用矩形系数（rectangularcoefficient）这一参数来衡量。矩形系数Kr0.1定义为单位谐振曲线值下降到0.1时的频带范围与通频带之比：理想谐振回路Kr0.1=1，实际回路中总是大于1的。其数值越大，表示偏离理想值越大；其值越小，表示偏离越小，显然其值越小越好。9.实际单振荡谐振回路的矩形系数

由定义取根据图2-2，求得实际单振荡谐振回路的矩形系数

由此可知，单振荡回路的矩形系数是一个定值，与回路的Q值和谐振频率无关，其值约为9.95，偏离理想回路值较大，说明单谐振回路的幅频特性不理想，选择性不好。10.阻抗特性谐振时，串联回路阻抗最小，且为纯阻。失谐时阻抗变大。11.串联谐振回路的电感和电容上的电压

串联回路谐振时，回路中电感和电容上的电压方向相反，大小相等且与回路的品质因数相关，即这就是说，串联谐振回路中电感和电容上的电压值是信号源电压的Q倍，所以串联谐振也被称为电压谐振（voltageresonance）。鉴于这种特性，在无线电通信和广播的接收中，常用串联谐振来提高所要接收信号的电压，选出有用信号，提高接收灵敏度，这对于输入信号通常是很微弱的无线电通信和广播接收来说是很有用的。但是如果输入信号电压很高，比如在电力线路中，电压是220V，若发生串联谐振（电压谐振），则电容和电感上的电压将会很高，可能超过它们的击穿电压，这是很危险的，所以在电力线路要注意防止发生串联谐振（电压谐振）。例2.1收音机的输入电路由一次侧调谐线圈L1、、二次侧耦合线圈L2和可变电容C构成，如图2-3所示。L1和C构成串联谐振回路。如可变电容的最大容量为270pF，要接收电台的频率范围是535~1605kHz，试求一次侧调谐线圈L1、的电感量。如要接收900kHz频率的信号，则可变电容容量应为多少？线圈L1的电感量为接收900kHz频率信号时，可变电容容量为2.3并联谐振回路回路总导纳

回路谐振频率谐振电导回路两端电压

回路两端谐振电压为在空载时，任意频率下的回路两端电压与谐振时回路两端电压之比为式（2-25）的模值为电压矢量的幅频特性为相频特性为

回路品质因数空载时有载时式中，回路总电导等于空载电导与信号源电导和负载电导之和谐振电阻

回路谐振时，阻抗为最大且为纯电阻，即单位谐振曲线

通频带

空载时有载时并联谐振回路的通频带BW0.7与Q成反比，与串联回路一样，并联回路的通频带和选择性也是相互矛盾的两种性能指标。矩形系数

阻抗特性

谐振时，回路阻抗最大且为纯阻，失谐时阻抗变小。谐振回路的插入损耗

2.3.2并联谐振回路的应用并联谐振回路在高频电路中应用广泛。由于高频已调波信号的特点是频率高，相对频带宽度较窄。为有效地选择有用信号，高频小信号放大器、高频功率放大器和混频器的负载多采用并联谐振回路，正弦波振荡器也常用并联回路选频。这些内容在以后章节中均会讲到。现以收音机的中频放大器电路为例，介绍并联谐振回路的应用，如图2-5所示。

图2—5并联谐振回路的应用2.4回路的阻抗变换

图2—6串并联回路等效互换2.4.2回路部分接入的阻抗变换并联谐振回路常用作放大器的负载，要与本级晶体管的集电极和下级负载相连接。晶体管的输出阻抗较低，下级负载常是下一晶体管的输入阻抗，通常更低。并联回路谐振阻抗很高，如直接并接，则阻抗不能匹配，晶体管放大器的输出功率会下降，电压增益降低，回路Q值下降，选择性变差。为避免这种情况出现，通常采用回路部分接入方式。图2—7自耦变压器抽头接入的阻抗变换

图2—8变压器耦合联接的阻抗变换图2—9电容分压接入电路及其阻抗变换等效电路图2-10

级间耦合连接的阻抗变换

2.5耦合回路图2—12耦合回路次级回路谐振曲线可见当η越大，上式数值越小，即谐振曲线在谐振频率处的凹陷越大。显然，η值太大时会造成谐振曲线顶部明显凹陷，将偏离理想矩形特性。所以，耦合回路通常选择η=1的临界状态和η稍大于1时的情况，此时谐振曲线顶部较宽而平坦，较接近理想矩形特性，通频带较宽，选择性较好。以上分析是在假定一、二次回路参数相同的情况下获得的，实际情况是假定的条件不一定满足，但仍可参考以上分析。耦合回路的谐振曲线较接近理想特性，在需兼顾选择性和通频带的情况上常采用。如用在双调谐放大电路，但因有两个谐振回路，所以调整较复杂。2.6滤波器原理与特性

根据组成元件的不同可分为：由电感和电容组成的LC滤波器；由电阻和电容组成的RC滤波器；由压电晶体材料制成的晶体滤波器和陶瓷滤波器等。图2—20石英晶体谐振器2.6.2石英晶体滤波器无线电通信技术的发展，对滤波器性能要求越来越高。要求其工作频率稳定，阻带衰减特性陡峭，这就要求滤波器元件品质因数Q值很高。前述LC谐振滤波器，由于电感L的Q值不高（通常在70~200），因此很难满足这样的要求。用特殊方式切割的石英晶体（quartzcrystal）片构成的石英晶体谐振器，其品质因数Q值很高，可达几万。因此用石英晶体谐振器组成的滤波器有很好的性能，其工作频率稳定度很高，阻带衰减特性陡峭，通带衰减很小，而且体积小，不需调谐，使用方便。1.石英晶体的压电效应与谐振

石英是一种高硬度的六角形晶体，它的化学成分是二氧化硅（），性质很稳定。按一定方位切割的石英晶体片有正反压电效应（piezoelectriceffect）。按一定方向给晶体片施加压力或机械振动，晶体表面会产生电荷或电振荡，这称为正压电效应。当给晶体加上交变电压时，石英晶体片会产生相应频率的机械振动，这称为反压电效应。石英晶体的机械振动有一个固有振动频率，此频率与晶体的厚度成反比，即晶体片越薄则其固有振动频率越高。当给晶体外加的交变电压频率与晶体的固有振动频率相同时，晶体片就产生谐振。这时机械振动幅度最大，相应晶体表面产生的电荷量最大，外电路中电流也最大。因此，石英晶体具有谐振电路特性。2.石英晶体谐振器在石英晶体片的两面喷涂金属层，并夹在一对金属片之间，再从两金属片上引出电极，就构成了一个石英晶体谐振器，如图2-20a所示。石英晶体谐振器的电路符号如图2-20b所示。石英晶体谐振器的等效电路如图2-20c所示。图中、、是谐振器的串联支路，等效电感相当于晶体的质量（惯性），等效电容相当于晶体的等效弹性模量，等效损耗电阻相当于振动的摩擦损耗。静电容是晶体两面金属层形成的电容，其数值为几皮法（）到几十皮法（）。陶瓷滤波器2.6.3陶瓷滤波器

陶瓷滤波器（ceramicfilter）是用具有压电性能的陶瓷，如锆钛酸铅为材料做成的滤波器，它的电性能与石英晶体滤波器相似。当其两端加上和陶瓷薄片几何尺寸相应频率的交变电压时，就会产生谐振，呈现低阻抗，而对其他频率的交变电压，则呈现高阻抗。这种性能和LC串联谐振回路类似，因此可代替电路中的LC谐振回路用作滤波器。陶瓷滤波器的等效品质因数可达几百，比LC滤波器高，但比石英晶体滤波器低。因此其选择性比LC滤波器好，比晶体滤波器差。其通带比晶体滤波器宽，比LC滤波器窄。陶瓷滤波器具有体积小、易制作、稳定性好和无需调整等优点，现广泛用于接收机和电子仪器电路中。陶瓷滤波器有两端和三端两种类型。2.三端陶瓷滤波器图2-22是三端陶瓷滤波器的结构示意图、电路符号和等效电路，图中1、3端是输入端，2、3端是输出端。图2-22三端陶瓷滤波器当1、3端输入信号后，如果信号频率等于陶瓷滤波器的串联谐振频率时，则陶瓷片便产生相当于谐振频率的机械振动。由于压电效应，2、3端将产生频率为谐振频率的输出电压。三端陶瓷滤波器的等效电路相当于一个双调谐耦合回路，具有较好的选择性和适当的带宽，它可以代替中频放大电路中的中频变压器，它的优点是无需调整。图2-23是三端陶瓷滤波器代替中频变压器的实际电路。现在，三端陶瓷滤波器在集成电路接收机中广泛使用。2.6.4声表面波滤波器

声表面波滤波器是一种新型电子元件，常称为SAWF（SurfaceAcousticWaveFilter）。这种滤波器有体积小，中心频率可很高，相对带宽较宽，接近理想的矩形选频特性，稳定性好，无需调整等特点，在电视接收机中广泛使用。1.声表面波滤波器的工作原理

图2-24是声表面波滤波器的结构和原理示意图。在压电材料（如石英、铌酸锂、钛酸钡等）基片表面上，敷有金属膜，光刻成叉指形的两组金属电极，称为叉指换能器。输入端的电声换能器称为输入换能器，输出端的声电换能器称为输出换能器。如在输入换能器上加上交变电信号，在金属叉指间就产生相应的交变电场。由于压电材料的反压电效应，在压电材料基片表面上激起声表面波，声表面波沿基片表面向输出端传递。由于压电材料的正压电效应，输出换能器又将声表面波变换为交变电信号加到外接负载上。图2-24声表面波滤波器

2.声表面波滤波器的幅频特性

声表面波滤波器的频率特性取决于叉指电极的几何形状，与它的数量、位置和疏密相关，通过改变叉指电极的几何条件，就可控制声表面波的中心频率、带宽、幅度和相位。由图2-24可见，由于第一叉指电极和第二叉指电极的极性相反，它们激起的声波相位相差180°，如将两叉指的距离做成某一频率的半波长，则第一叉指激起的声波传到第二叉指延时180°，正好与第二叉指激起的声波相差360°，因相位相同，叠加后振幅最大。而对其他频率的声波，则由于相位不同振幅迅速衰减，所以一对叉指就相当于一个LC谐振回路。由于声表面波的传播速度比电磁波速度慢很多，大约只有电磁波速度的十万分之一，所以它的波长很短，如频率为30MHz的声表面波的波长约为1mm，因此在一个SAWF上可做许多对叉指电极，由于一对叉指就相当于一个LC谐振回路，所以一个SAWF在性能上就相当于一个多级LC滤波器，具有很好的选频性能和较宽的通频带。由此可见SAWF的频率特性只与叉指型电极的几何形状和数量有关，只要设计合理，用光刻技术制造，可保证有较高精度，使用时不需调整。声表面波滤波器的幅频特性3.声表面波滤波器的应用

声表面波滤波器常用在电视机中对中频进行选频滤波，如图2-26所示。图中Z101就是声表面波滤波器（SAWF），由于声表面波滤波器的插入损耗较大，因此通常在它的前面加一级前置中频放大，称为预中放，以补偿SAWF的插入损耗，图中VT161就是预中放管。L102是SAWF的匹配电感，它与SAWF的输出电容构成谐振回路，使SAWF的输出端与集成电路IC101的输入端匹配。声表面波滤波器的应用2.6.5RC滤波器

由电阻和电容可构成RC滤波器，与前述的LC滤波器的结构形式类似，RC滤波器也可构成Γ形、Ｔ形和π形滤波器，根据电路的实际需要也可构成低通、高通、带通和带阻滤波器。由于电阻对信号有损耗，所以RC滤波器的选频性能不如LC滤波器，但由于电阻方便易得，在选频性能要求不高时也经常使用。如图2-27所示，收音机中频放大后，中频变压器T3的二次绕组把中频信号送到检波二极管VD3，由VD3检波后获得音频信号和残余的中频，通过由C12、R6和C13组成的π形低通滤波器，滤除残余的中频得到音频信号，送后级低频放大。图2-27收音机的检波滤波电路本章小结1.LC

串联谐振回路，谐振时回路等效阻抗最小，回路电流最大，用此特性可用作选频或滤波电路。LC并联谐振回路，谐振时回路等效阻抗最大，回路两端电压最大，常用作高频单元电路的负载，起选频和滤波作用。2.LC谐振回路的选择性与回路值相关，即值高选择性好。LC回路的选择性与通频带相矛盾，即选择性好，通频带窄；要通频带宽，则选择性差。LC回路的矩形系数可衡量实际幅频特性偏离理想矩形特性的程度，矩形系数越小幅频特性越理想。单振荡回路矩形系数较大，偏离理想矩形特性较远。3.LC谐振回路可采用部分接入方式实现信号源内阻和负载间的阻抗变换，这对于提高放大器的增益和选择性极为重要。4.耦合回路由两个单谐振回路组成，它可较好解决单振荡回路选择性和通频带之间的矛盾。处于临界状态和η稍大于1时的耦合回路的矩形系数较小，较接近理想矩形特性。此时选择性较好，通频带较宽。5.由电感和电容可构成LC滤波器，由电阻和电容可构成RC滤波器，LC滤波器和RC滤波器都可构成Γ形、Ｔ形和π形的滤波器，根据选频需要也可构成低通、高通、带通和带阻滤波器。LC滤波器的选频性能比RC滤波器好。6.利用材料的压电性能可制成各种固体滤波器。它们具有体积小，频率稳定无需调整，选择性好等优点，特别适宜制成固定频率的滤波器。

第3章高频小信号放大器无线电通信的特点是接收机接收到的无线电信号通常是微弱的，必须首先对它进行放大。高频小信号放大器是无线电通信设备必需的功能电路，它的作用是对微弱的高频小信号进行不失真的放大。常见的无线电接收机的高频和中频放大器都是高频小信号放大器。高频小信号放大器高频小信号放大器按所用器件可分为晶体管、场效应管和集成电路放大器；按所用负载性质可分为谐振和非谐振放大器。谐振放大器（resonantamplifier），就是用LC谐振回路作负载的放大器。由于谐振回路有选频特性，所以谐振放大器对接近谐振频率的信号，有较大增益；对远离谐振频率的信号，增益很小。所以谐振放大器既有放大作用，又有选频滤波作用。非谐振放大器非谐振放大器是由各种滤波器（LC集中选择性滤波器、陶瓷滤波器、声表面波滤波器、石英晶体滤波器）和阻容耦合放大器组成的。由滤波器选頻，放大器提供电压增益。其性能稳定，无需调整，便于集成化，现已广泛使用。本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器，对集成电路放大器、多级晶体管放大器也适当介绍。高频小信号放大器的性能指标主要包括以下5项。1.电压增益与功率增益电压增益（voltagegain）是放大器输出电压与输入电压之比。功率增益（powergain）是放大器输出功率与输入功率之比。2.通频带通频带（passband）是放大器的电压增益下降到最大值的0.707时，所对应的频率范围。4.稳定性稳定性（stability）是指组成放大器的元器件参数变化时，放大器主要性能：增益、通频带和矩形系数（选择性）的稳定程度。一般不稳定现象包括放大器增益变化、中心频率偏移、通频带变化和谐振曲线变形等，这些都使放大器性能下降。不稳定的极端情况是放大器自激，以致放大器完全不能工作。所以放大器的稳定性是一项重要指标。5.噪声系数放大器工作时，元器件在电路内部会产生噪声，在放大信号的同时也放大了噪声，使信号质量受到影响。噪声对信号的影响程度用信噪比来表示，电路中某处信号功率与噪声功率之比称为信噪比。信噪比大，表示信号功率大，噪声功率小，信号受噪声影响小，信号质量好。3.2高频小信号放大等效电路

晶体管小信号放大时工作在线性区，在高频工作时，其内部参数将随工作频率变化而变化。因而有必要讨论晶体管的高频等效电路。最常用的高频等效电路是y参数等效电路和混合π形等效电路。3.2.1y参数等效电路这是将晶体管等效看成有源线性二端口网络，用一些网络参数来组成等效电路（equivalentcircuit）。

图3-2晶体管共射组态的Y参数等效电路

图3-3晶体管共发射极混合π型等效电路图3-4晶体管的高频参数3.3高频小信号谐振放大器

高频小信号谐振放大器是由晶体管、场效应晶体管或集成电路与LC谐振回路组成，作用是将微小的高频信号进行线性放大，并滤除不需要的干扰频率。谐振放大器的主要性能指标是电压增益、功率增益、通频带和矩形系数等。3.3.1单级单调谐放大器

1.电路组成与特点图3-5是单调回路谐放大器电路，晶体管VT1和LC并联谐振回路组成一个单级单调谐放大器。晶体管VT1是共射组态，其集电极负载是LC并联谐振回路，回路谐振频率应调谐在输入信号的中心频率上。回路与晶体管的连接采用自耦变压器部分接入方式，可减少晶体管输出导纳对回路的影响。负载与回路采用变压器部分接入方式，可减少负载（或下级放大器）对回路的影响，还可使前后级直流电路分开。上述耦合方式也能较好实现前、后级间的阻抗匹配。图3-5单调谐回路谐振放大器

图3-6单级单调谐放大器等效电路由本例计算可知，多级放大器可根据实际需要的总的电压增益来选择放大器的级数，级数多，增益高。多级放大器总的通频带和总的矩形系数，比单级放大器的通频带和总的矩形系数缩小，这对于提高整个放大器的选择性是有利的。特别是总矩形系数减小很多，说明谐振曲线较接近理想矩形，比单级放大器有很大改善。多级放大器通频带的缩减，对窄带放大器来说是有利的，如本例的三级调频中频放大器，因单级放大器通频带相对较宽为504kHz，三级放大器通频带缩减为257kHz，更接近于调频信号的频谱宽度150kHz，对提高选择性是有利的。多级放大器总通频带的缩减对于信号频谱宽的放大器是不利的，如电视中频信号频谱宽度为8MHz，中频为38MHz，相对带宽较宽，为保证信号能不失真地放大，多级放大器的总通频带应达8MHz，每个单级放大器的通频带就要达15.7MHz才能满足要求。因此多级单调谐放大器的总增益和总通频带还是存在矛盾，即级数越多，增益越高，通频带越窄。3.3.3双调谐放大器

提高放大器选择性，解决增益和通频带间的矛盾，有效方法之一是采用双调谐放大器。双调谐放大器采用两个相互耦合的单调谐回路作放大器的选频回路，两个单调谐回路的谐振频率都调谐在信号的中心频率上。双调谐放大器就是将单调谐回路放大器中单调谐回路改成双调谐回路，双调谐回路放大器电路如图3-7所示，其等效电路如图3-8所示。图3-7双调谐回路放大器图3-8双调谐放大器等效电路图3-9中和法原理电路

图3-10共射-共基级联放大器交流等效电路图中两个晶体管组成级联电路，VT1是共射电路，VT2是共基电路。共基电路输入阻抗很低，即输入导纳很大，而共射电路输出导纳较小，这样VT1和VT2间严重失配。从而使VT1电压增益下降，输出电压减小，管内反馈减少，放大器稳定性提高。虽然VT1电压增益下降，但级联的VT2是共基电路有较大电压增益，而且截止频率高，所以共射-共基级联放大器增益仍较大，高频特性提高。失配法的优点是工作稳定，生产中无需调整，适用于大批量生产。3.3.5场效应晶体管高频小信号放大器高频小信号放大器按所用器件可分为晶体管、场效应晶体管放大器。场效应晶体管高频小信号放大器按所用负载性质也可分为谐振和非谐振放大器。场效应晶体管与晶体管相比有输入阻抗高、动态范围大、噪声系数小、抗辐射性能好和线性范围宽的优点，但场效应晶体管的正向传输导纳远小于晶体管，所以场效应晶体管放大器的增益比晶体管要小。由于场效应晶体管的特点，它被用作前级高频小信号放大器是很合适的。图3-11是电视机高频调谐器中由双栅场效应晶体管组成的高频小信号放大器。图3-11双栅场效应管小信号放大器图3-11中，高频电视信号经电容C11送至双栅场效应晶体管的第一栅极G1（信号栅），第一栅极G2和源极S、漏极D组成共源放大器，第二栅极G2通过电容C12交流接地并与源极S、漏极D组成共栅放大器，这样双栅场效应晶体管就组成一个共源-共栅级联放大器。共源-共栅级联放大器的性能与晶体管的共射-共基放大器一样，是稳定性好、增益高和高频特性好的小信号放大器。双栅场效应晶体管放大器的噪声很小，原因是绝缘栅场效应晶体管是由电荷感应工作的，管内载流子杂乱运动产生的散弹噪声非常小。另外，由于场效应晶体管是电压控制器件，没有因载流子随机复合引起的电流分配噪声。场效应晶体管的主要噪声只是沟道内电子不规则热运动引起的热噪声，这样比晶体管要少两种噪声来源，所以场效应晶体管放大器的噪声系数可低至0.5dB，而低噪声系数对于前置高频小信号放大器是极为重要的。3.4集成电路高频小信号放大器

随着电子技术的发展，集成电路使用越来越多，各类接收机中已广泛使用集成电路高频小信号放大器，通常是采用线性集成电路（linearintegratedcircuit）与选频电路相结合的方式实现的，线性集成电路又称为模拟集成电路（analogintegratedcircuit）。目前，线性宽频带集成放大电路型号较多，但其内部工作原理基本相同，下面先讨论线性宽频带集成放大电路的内部结构和工作原理。3.4.1线性宽频带集成放大电路由于集成电路的结构特点，其内部不能设置大电容、大电阻，更不可能有电感。因此其内部的级间耦合只能用直接耦合，不能采用阻容耦合或变压器耦合。因此早期集成电路采用共射-共射直接耦合构成，如国产8FZ1集成电路。8FZ1是属于利用负反馈展宽频带的线性放大器，其电路如图3-12所示。图3-12线性宽频带小信号放大器8FZ1内部是由VT1和VT2两个晶体管组成的共射-共射直接耦合放大器。电路中有两级电流并联负反馈，从VT2的发射级电阻上取得反馈信号经反馈到输入端。电容和并联，是为了使高频工作时反馈减少，以改善高频特性。改变外接元件可调节放大器的性能。如在引脚8和6间接入电阻与并联，可增强反馈，在引脚8和9间串入电阻可减少反馈，在引脚2和3或引脚3和4间连接电阻可改变放大器的电压增益。在8FZ1的输入端（8、9引脚）和输出端（3、4引脚）接上输入和输出电容和，接通电源，就构成宽频带放大器。要取得较高增益需要多级放大，多级直接耦合会产生零点漂移，集成电路采用差分电路来克服零点漂移，因此在较大规模的集成电路中，差分电路用得较多。图3-13所示ULN-2204集成电路的中频放大器，就是由五级差分电路直接级联而成的。

图3-13ULN-2204集成的中频放大部分前四级差分放大（VT1、VT2，VT3、VT4，VT5、VT6，VT7、VT8）都是以电阻为负载的共集-共基放大电路，末级差分放大是采用恒流管VT11的共集-共基级联放大对管（VT9和VT10）。共集-共基级联放大电路消除了内部有害反馈，使放大器的稳定性提高，并扩展了高端截止频率。共集电路有电流放大作用，共基电路有电压放大作用，总的增益仍较大。所以ULN-2204集成电路的中频放大器是增益高、稳定性好的线性宽带高频小信号放大器。线性集成电路型号很多，但是用作高频小信号放大，其内部电路都是直接耦合的共射电路或差分放大电路。不同型号的线性宽频带集成放大电路的性能和适用范围有所不同，应根据手册给定的技术参数和实际需要选用。3.4.2集成电路选频放大器

线性宽频带集成电路能对高频小信号提供高增益、宽频带、稳定性好的放大，将它与选频电路相结合就能组成各种常用的集成电路选频放大器。由于线性集成电路内部都是多级直接耦合放大器，只能在多级直接耦合放大器的输入和输出端设置选频电路，因此对选频电路性能要求较高。除使用常见LC谐振回路外，还广泛使用各种固体滤波器，如陶瓷滤波器、声表面波滤波器等，下面就一些常用集成电路选频放大器进行讨论。1.μPC1018集成中频放大电路μPC1018是一种广泛应用于调频（FM）、调幅（AM）的集成中频放大电路。它的外形结构是双列直插16脚塑料封装，工作电压为2.5~6V。它的内部有调频、调幅分开的中频放大电路，还有调幅的本振、混频及自动增益控制等电路。图3-14是μPC1018构成的中频放大电路，点画线框内是集成电路的内部结构框图，点画线框外是它的外围电路。图3-14μPC1018集成中频放大电路

（2）调频（FM）中频放大的工作原理μPC1018集成电路的调频中放由两级中放（中放Ⅰ、中放Ⅱ）组成。调频的中频信号从2脚输入中放I，经放大后从4脚输出，外接三端陶瓷滤波器选频。三端陶瓷滤波器等效为一个频率固定的双调谐选频回路，其谐振频率是调频中频10.7MHz，其Q值较高，具有良好选频特性。选频后信号从5脚送入中放Ⅱ，经放大后调频中频信号由7脚输出加到双调谐选频回路一次侧，采用自耦变压器部分接入方式，以达到阻抗匹配，保持良好的选频性能，这样就完成了调频中频的放大。2.μPC1366C图像中频放大电路μPC1366C是电视图像中频集成块，它的内部由图像中放、视频检波、预视放、消噪电路、AGC电压检波和AGC电压放大等6部分组成。它的图像中频放大器由4级差分放大电路直接耦合构成，是一个增益高，稳定性好的线性宽带高频小信号放大器。μPC1366C图像中频放大电路如图3-15所示。图3-15μPC1366C图像中频放大电路

图像中频放大电路包括3个部分：①前置补偿放大器。②声表面波中频滤波器SWAF。③μPC1366C集成电路的图像中放部分。由高频头送来的中频信号在晶体管VT（3DG1674）进行预中放，以补偿采用声表面波滤波器造成的插入损耗。VT放大后的中频信号送至声表面波滤波器SAWF，它具有很好的选择性和较宽的频带宽度，由它确定了中频放大器的幅频特性（参见图2-25），使中频放大电路无需调整。由SAWF选出的中频信号频率为38MHz，频带宽为8MHz，并且幅频特性符合电视中频放大器的要求。中频信号经SAWF滤波后由8脚和9脚送入μPC1366C内的图像中频放大器，经放大获得足够增益后送至μPC1366C内的视频检波器。3.集成中频放大电路的内部结构集成中频放大电路通常采用3、4级直接耦合的差动放大器，来保证足够的中放增益。由于集成电路内部没有谐振电路，因此在信号输入端采用声表面波滤波器滤波，以获得中频放大器所需要的频率特性。各种集成中频放大电路结构大致相同，现以TA7611AP集成中频放大电路为例介绍如下，其结构如图3-16所示。图3-16所示点画线框内是TA7611AP集成中频放大器的内部电路，其输入端外接SAWF进行选频。TA7611AP宽带中频放大器内采用三级差分放大，总增益可达80dB。三级差分放大结构类似，所以只要了解中放Ⅰ即可。中放Ⅰ内VT1、VT2是差分射极输出器，用来实现集成中放与声表面波滤波器SAWF的阻抗匹配，VT3、VT4是差分放大器，VT5是VT3和VT4的多发射极恒流源，它能显著提高差分放大器的共模抑制比，稳定放大器的直流工作点。在三级中放的级间，均有差分射极输出器实现阻抗匹配。由于三级中放均是直接耦合，为减少电路零点漂移，在每一级都有深度负反馈，还采用了极间负反馈，图中R11、R12就是极间负反馈电阻，用来把末级中放输出端的直流电平反馈到中放Ⅰ的输入端，以保证工作点的稳定。图3-16集成中频放大器内部结构

3.5噪声与干扰

高频小信号放大器的功能是把微弱的高频小信号进行不失真的放大。但在放大过程中，放大器可能产生噪声而使有用信号受到影响，所以它有一项重要的质量指标——噪声系数是不可忽视的。实际上高频电子技术的其他单元电路也受噪声和干扰的影响，但噪声和干扰对处理微弱信号的电路影响更大，所以把它们放在本章讨论。在通信技术领域，噪声是指通信设备或单元电路产生的影响有用信号的有害声音或信号。噪声一般指内部噪声，又分自然和人为两类。自然噪声有热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等。人为噪声有交流哼声、感应噪声等。干扰是指妨碍通信设备或单元电路正常接收和处理有用信号的有害电磁波。干扰一般指外部干扰，也分为自然和人为两类。自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。人为干扰主要有工业干扰和无线电台干扰。本节主要讨论电路内部的自然噪声。3.5.1电路内部噪声的来源

电路内部噪声的主要来源是电阻的热噪声和放大器件的噪声。

1.电阻的热噪声电阻的热噪声是由电阻内部的自由电子热运动所产生的。在一定温度下，电阻内部的自由电子受热激发后，在电阻内部作大小和方向都无规则的热运动，这就在电阻内部形成无规则电流。在一定时间内无规则电流的平均值为零，而瞬时值在平均值的上下变动，称为起伏电流或噪声电流。噪声电流在电阻两端产生噪声电压。同样，在一定时间内噪声电压的平均值为零，而其瞬时值也在平均值的上下变动。由此可计算或测量起伏噪声电压的方均值，它代表噪声功率的大小。由于起伏噪声的频谱在极宽的范围内有均匀的功率谱密度，类似于白色光功率谱在可见光频段内均匀分布的特点，通常把这种在无线电频段内功率谱均匀分布的起伏噪声称为白噪声。如图3-17所示。而把在功率谱上分布不均匀的噪声称为有色噪声。图3-17电阻热噪声特性图3-18晶体管的噪声系数与频率的关系图3-19多级级联网络的噪声系数图3-20晶体管噪声系数和发射极电流的关系曲线3.选择合适的工作带宽噪声电压与通频带宽度有关。接收机或放大器的带宽增大时，各种内部噪声也增大。因此必须选择合适的带宽，既要满足信号通过的要求，但又不宜过宽，以免信噪比下降。4.选用合适的放大电路放大器的选用要考虑功率增益和最小噪声，就是要兼顾噪声匹配和功率匹配，工作频率不太高时，共射极放大器能兼顾噪声匹配和功率匹配。因此，在很多多级放大器中，输入级常采用共射放大器。在工作频率较高的系统中，多级放大器的第一级采用共基极放大器是有利的。前面介绍的共射-共基级联放大电路，也是高稳定和低噪声的电路。5.降低放大器的工作温度热噪声是内部噪声的主要来源之一，所以降低放大器，特别是接收机前端放大器件的工作温度，对减少噪声系数是有作用的。对灵敏度要求特别高的设备来说，降低工作温度是一个重要措施。如在卫星地面站接收机的高频放大器采用“冷参放”（冷至20~80K的参数放大器）。其他器件组成的放大器致冷后，噪声系数也有明显降低。6.减少接收天线的馈线损耗接收天线到接收机馈线太长，馈线损耗过大，对整机噪声影响很大。为减少馈线损耗，可将接收机的前端电路（高放、混频和前置中放等）放置于天线输出端口，使天线接收的信号经放大有一定功率增益后，再经电缆送往主中放，就可减少馈线的损耗，降低整机噪声。3.5.4外部干扰的类型和抑制前面讨论了电子设备或系统的内部噪声，实际上电子设备或系统还会受到外部干扰的影响。干扰是指妨碍电子设备或系统正常工作的有害电磁波。干扰一般分为自然和人为两类。自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。人为干扰主要有电气干扰和无线电台干扰。无线电台干扰主要是通过提高接收机选择性来防止。下面介绍最常见的天电干扰和电气干扰。1.天电干扰天电干扰的主要来源于自然界的雷电现象，地球上平均每秒钟发生100次左右的空中闪电，而每次雷电都产生强烈的电磁场骚动，并向四面八方传播到很远的地方。因此，即使距离雷电几千公里以外，在看不到雷电现象的情况下，也可能有天电干扰。此外，带电的雨雪和灰尘的运动，以及它们对天线的冲击都可能引起天电干扰。一般在地面接收时，主要的天电干扰是雷电放电所引起的。天电干扰的大小，与地理位置、季节和时间有关。赤道、热带和高山等地区发生雷电较多，天电干扰电平较高。在同一地区天电干扰电平在夏季比冬季高，夜间比白天高等。天电干扰属于脉冲干扰性质。脉冲干扰振幅随频率的升高而减小，因此，频率升高时，天电干扰的电平降低，所以天电干扰对短波广播的影响就小于对中波广播的影响。此外，在较窄频带内通过的天电干扰能量减小，所以天电干扰强度随频带变窄而减弱。要完全克服天电干扰是困难的，因为不可能在产生干扰的地方进行抑制。因此，只能在接收机等设备上采取一些措施，如电源线加接滤波电路、采用窄频带以及加接抗脉冲干扰电路等，或在雷电多的季节采用较高的频率进行通信。2.电气干扰的产生和抑制电气干扰是由各种电气装置中的电流（或电压）急剧变化所形成的电磁辐射，作用在接收机天线和电路上所产生的干扰。在工农业、交通运输业以及其他行业和家庭中都大量使用各种电气设备，例如马达、电焊机、高频电气装置、X光机、电弧炉、电磁炉、空调器、汽车点火系统和电气开关等，它们在工作过程中或者由于产生火花放电而伴随电磁波辐射，或者本身就存在电磁波辐射。电气干扰的强弱取决于产生干扰的电气设备的多少、性质及分布情况。当这些干扰源离接收机很近时，产生的干扰是很难消除的。电气干扰传播的途径，除直接辐射外，还可沿电力线传输，并通过接收机的交流电源线直接进入接收机，也可能通过天线与有干扰的电力线之间的分布电容耦合而进入接收机。电气干扰沿电力线传播比它在相同距离的直接辐射强度大得多。在城市中的电气干扰显然比农村严重得多。电气设备越多的大城市，情况越严重。从电气干扰的性质来看，它们大都属于脉冲干扰。通常，脉冲干扰可看成一个突然上升又按指数规律下降的尖脉冲。分析表明，干扰振幅与频率有一定的关系，脉冲干扰的影响在频率较高时比频率低时弱得多。另外，接收机通频带较窄时，通过脉冲干扰的能量小，从而使干扰的影响减弱。因此，电气干扰对中波波段的影响较大，随着接收机工作波段进入短波、超短波（工作频率在20MHz以上），这类干扰的影响就显著下降。为了克服电气干扰，最好在产生干扰的地方进行抑制。例如，在电气开关、电动机的火花系统的接触处并联一个电阻和电容，以减小火花作用。或在干扰源处加接防护滤波器，除此以外，还可以把产生干扰的设备，加以良好的屏蔽来减小干扰的辐射作用。目前，我国对有关电气设备所产生的干扰电平都有严格的规定。为了避免沿电力线传播的干扰进入用交流电作为电源的接收机和测量仪器，通常对输入这些设备的交流电进行滤波，如图3-21所示。图3-21中的T801和T802是低通滤波线圈，可以通过50Hz交流电但对高频脉冲干扰有很大阻抗，它们与电容C801、C802构成π形滤波网络，可以滤除电源线的脉冲干扰，滤除脉冲干扰后的50Hz交流电再送到接收机的整流滤波电路。本章小结1.高频小信号放大器是对微弱高频信号进行不失真放大的功能电路。它有增益、通频带、选择性（矩形系数）、稳定性和噪声系数等5项技术指标。2.谐振放大器是用LC谐振回路作负载的放大器，谐振放大器既有放大作用又有选频作用。谐振放大器的幅频特性曲线与所用LC谐振回路相同。单调谐放大器选择性较差，双调谐放大器选择性较好。为实现阻抗匹配，提高电压增益，减少晶体管输入、输出参数对回路谐振特性的影响，谐振回路与信号源和负载的连接通常采用部分接入方式。3.分析高频小信号谐振放大器时，常采用y参数等效电路，y参数不仅与静态工作点有关，而且是工作频率的函数。混合π形等效电路是把晶体管内的复杂物理结构用集中参数元件RC来表示的等效电路，也是分析高频小信号放大器的常用电路。4.线性宽频带集成电路能对高频小信号进行高增益、高稳定性地放大，它与选频电路结合就组成集成电路选频放大器。它对选频电路频率特性要求较高，选频电路除了常用的LC谐振回路外，还广泛使用陶瓷滤波器、声表面波滤波器等集中滤波器。集成电路和集中滤波器组成的高频小信放大器，其性能指标优于分立元器件组成的多级谐振放大器，而且调试简单。5.内部噪声影响信号的接收和处理，内部噪声主要有电阻热噪声、晶体管噪声等。噪声系数是衡量放大器及线性电路性能的重要指标。在多级放大器中，前端放大器的性能对总噪声系数影响最大，因此要特别注意降低第一、二级的噪声系数，提高第一级的额定功率增益。6.外部干扰的类型和抑制。干扰是指妨碍电子设备或系统正常工作的有害电磁波。干扰一般分为自然和人为两类。自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。人为干扰主要有电气干扰和无线电台干扰。提高接收机的选择性可减少电台干扰，电气干扰可以通过对输入设备的交流电进行滤波来抑制。第4章正弦波振荡器

无线电发送设备需要高频载波，无线电接收设备需要本振信号，很多电子设备中都需要使用正弦波振荡信号，它们都是由正弦波振荡器所产生。振荡器（oscillator）和放大器一样，也是一种能量转换电路，所不同的是振荡器无需外加输入信号，本身就能自动地将直流电能转换为特定频率、波形、幅度的交变电能输出。振荡器种类很多，根据产生的振荡波形不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。前者输出正弦波形信号，后者输出矩形波、三角波和锯齿波等脉冲信号。正弦波振荡器按工作原理不同，又可分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。前者是在放大电路中引入正反馈，当正反馈足够强时，放大器就变成了振荡器；后者是将一个具有负阻特性的有源器件与谐振回路直接相连构成的振荡电路。为了得到一定频率的正弦波输出信号，在反馈型振荡电路中必须具有选频网络。根据选频网络所用元件不同，正弦波振荡器又可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型。本章主要讨论反馈型正弦波振荡器，此外对寄生振荡作简要介绍。正弦波振荡器广泛应用于各种电子设备中，特别是在通信系统中起着重要作用。如在无线电发送设备中，产生载波信号；在接收设备中，产生本振信号。在电子测量设备中也需要各种频率的正弦波振荡器。图4-1反馈型正弦波振荡器原理

4.2.2起振过程与起振条件１.起振过程如上所述，反馈型振荡器是把反馈电压作为输入信号电压，那么最初的输入信号电压是怎么得来的呢？换句话说，振荡器是如何起振的呢？这个问题可以作如下解释：在接通直流电源瞬间，在电路的各部分中，将引起电扰动。这些电扰动是接通电源瞬间引起的电流突变或是管子和回路的固有噪声，由于振荡电路是一个闭环正反馈系统，不管电扰动最初发生在电路的哪个部分，最终要传到放大器输入端成为最初的输入信号电压。这些电扰动具有极宽的频率范围，由于选频网络的选频作用，只有频率等于选频网络谐振频率的分量得到放大，其余频率成分被抑制掉。放大后的角频率为分量的信号，通过反馈又回送到放大器的输入端，成为第二次输入信号，完成一次循环。经过一次循环后的输入信号与最初的输入信号相比，不仅相位相同，而且幅度也增大了。第二次循环随即开始，如此重复一直继续下去。经过上述放大--反馈--再放大--再反馈的循环过程，角频率为的输出信号电压迅速增大，自激振荡就建立起来了。图4-2满足起振条件的环路增益图4-3并联谐振回路的相频特性曲线

由图4-3可见，在谐振点附近具有负斜率，正好满足相位稳定条件的要求。4.2.5振荡器的频率稳定度1.频率稳定度的定义频率稳定度是振荡器的一个极其重要的性能指标。如通信系统中频率不稳，会影响通信的可靠性，在测量仪器中频率不稳会引起测量误差等。频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率变化的相对值。根据所取时间间隔不同，频率稳定度分为长期，短期和瞬间稳定度3种。长期稳定度指一天乃至几个月以内频率的相对变化值，它主要取决于元器件的老化特性。短期稳定度一般指一天以内频率的相对变化值，外界因素引起的变化大都属于这一类。瞬间稳定度指秒或毫秒内频率的随机变化值，通常与元器件内部的噪声有关。2.提高频率稳定度的措施在未采取任何措施时，LC振荡器的频率稳定度为左右。这样的稳定度往往不能满足要求，必须采取适当措施，以提高稳定度，主要措施有以下2种。（1）减少外界因素变化的影响减少外界因素变化影响的措施很多，例如可将振荡器置于恒温槽中，以减少温度变化的影响；采用高稳定度直流稳压电源供电，减少电源电压波动的影响；采用屏蔽减少外界电磁场变化的影响；采用密封工艺减少大气压力和湿度变化的影响；在负载和振荡器之间接射极跟随器作为缓冲，可减少负载变化的影响等。（2）提高振荡回路的标准性提高频率稳定度除减少外界因素变化的影响外，还要从振荡电路本身来采取措施。提高振荡回路的标准性，就是指在外界因素变化时，保持振荡回路振荡频率不变的能力。回路标准性越高，频率稳定度就越高。提高振荡回路的标准性可采用如下方法：1）采用参数稳定的电感器和电容器。例如在高频陶瓷骨架上用烧渗银法制成电感线圈；采用热膨胀系数小的材料作可变电容器的极板。此外采用性能稳定的固定电容器，如云母电容、高频陶瓷电容等。2）采用温度补偿法。选择合适的具有不同温度系数的电感器和电容器，同时接入谐振回路，从而使因温度变化引起的电感和电容值的变化相互抵消，使回路总电抗量变化减小。

3）改进安装工艺，缩短引线，合理布局元器件，减小分布电容和分布电感及其变化量。

4）采用固体谐振器，例如采用石英谐振器代替LC谐振电路。

5）减弱振荡管与谐振回路的耦合。采用晶体管部分接入谐振回路，减小振荡管与谐振回路的耦合，能有效地提高回路的标准性。克拉泼和西勒振荡电路就是按这一思想设计的，因此具有较高的频率稳定度。4.3LC振荡器LC振荡器的选频网络是由电感L和电容C组成的并联谐振电路，按其反馈方式，LC振荡器可分为互感耦合式振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器3种类型，其中后两种通常称为三点式振荡器。LC振荡器可用来产生几十千赫兹到几百兆赫兹的正弦波信号。4.3.1互感耦合式振荡器互感耦合式振荡器有3种形式：调集型电路、调基型电路和调发型电路。它们是根据振荡回路是接在集电极、基极还是发射极来区分的。图4-4所示为调集型互感耦合式振荡器。图4-4调集型互感耦合式振荡器图4-4a实际电路中LC组成谐振回路，是反馈线圈，、、为偏置电阻，、为隔直与旁路电容，起振时上产生自偏电压，起稳幅作用。由图4-4b交流等效电路可以看出，在LC回路谐振时晶体管集电极负载为纯电阻，在基极加信号，集电极输出电压与反相，根据图中互感线圈所示同名端位置，反馈电压与反相，故与同相，为正反馈，满足相位起振条件。只要适当选择静态工作点、LC回路谐振电阻和反馈线圈的匝数，振幅起振的条件也很容易满足。在画图4-4b所示的交流等效电路时，只需画出与振荡相关的LC元件和晶体管，偏置电阻和隔直与旁路电容无需画出。交流等效电路可使复杂的实际电路简化，在判断振荡类型和能否起振时很方便。图4-5和图4-6分别画出了调基型和调发型振荡电路，接线时必须注意同名端的位置以满足自激振荡的相位条件。由于基极和发射极之间输入阻抗较小，为避免回路值降低过多，故在两电路中晶体管与振荡回路间采用部分接入耦合。调集型电路在高频输出方面比其他两种电路稳定，而且幅度大，谐波成分小。调基型的振荡频率在较宽的范围内变化时，振荡幅度比较平稳。互感耦合振荡器在调整反馈时，基本不影响振荡频率，但由于分布电容的影响，限制了振荡频率的提高，一般适合较低频段。图4-5调基型互感耦合式振荡器图4-6调发型互感耦合式振荡器

图4-7三点式振荡器原理图由式（4-12）可以看出，X1、X2必须为同性电抗，另外，为满足式（4-11），X3与X1、X2电抗性质应相反。由以上分析可得出以下结论：对三点式振荡器，为满足振荡的相位条件，与晶体管发射极相连的两个电抗元件必须为同性，另一个电抗元件为异性，这就是三点式振荡器的相位判断法则。

2.电感三点式振荡器（哈特莱振荡器）哈特莱振荡器（Hartleyoscillator）的实际电路如图4-8所示。图4-8电感三点式振荡器图4-9电容三点式振荡器电容三点式振荡电路的主要缺点是：调C1或C2改变振荡频率时，影响反馈系数，振荡幅度要发生变化。改进办法是可在L两端并上一个可变电容C3，C1、C2取固定值，调C3改变振荡频率，则反馈系数基本不变。4.两种改进型电容三点式振荡器（1）克拉泼振荡器图4-10a是克拉泼（Clapp）振荡器的实际电路，图4-10b是其等效电路。它是在图4-9电容三点式振荡器的电感支路中串入一个电容C3得到的，只要L和C3串联等效为电感，该电路仍然是一个电容三点式振荡器。图4-10克拉泼振荡器图4-11西勒振荡器4.4石英晶体振荡器对于LC振荡器，由于LC元件标准性较差，频率稳定度大约为10－3数量级，改进型的克拉泼振荡器和西勒振荡器也只有10-4数量级，如果要求更高的频率稳定度，可采用第2章2.6节介绍的石英晶体谐振器作为振荡回路构成石英晶体振荡器。由于石英晶体精度不同，晶体振荡器的频率稳定度大约在～数量级。根据石英晶体在振荡电路中的应用方式不同，可将石英晶体振荡器分为两类：①石英晶体在振荡电路中作电感元件，构成电容三点式振荡器，称为并联型石英晶体振荡器。②石英晶体作为短路元件，工作于它的串联谐振频率上，接于反馈放大器的正反馈支路中，称为串联型石英晶体振荡器。4.4.1并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器有两种形式，如图4-13所示。①石英晶体接在晶体管的C、B极之间构成的电容三点式振荡器，又称皮尔斯（Pierce）振荡电路，如图4-13a所示。②石英晶体接在晶体管B、E之间，构成电感三点式振荡器，又称密勒（Miller）振荡电路，如图4-13b所示。

图4-13并联型晶体振荡器图4-14皮尔斯振荡器4.4.2串联型晶体振荡器图4-16所示为串联型晶体振荡器，图4-16a是其实际电路，图4-16b是其交流等效电路。如将晶体短路，则该电路变为电容三点式振荡器。电路的工作原理是，当振荡频率等于晶体串联谐振频率fs时，晶体等效阻抗最小，正反馈最强，电路满足起振的相位条件和振幅条件，电路能正常工作。当频率远离晶体串联谐振频率fs时，晶体等效阻抗增大，使正、反馈减弱，不满足起振的相位条件和幅度条件，电路不能正常工作。由于振荡频率主要取决于晶体的串联谐振频率，所以振荡频率稳定度较高。

图4-16串联型晶体振荡器4.5RC振荡器当需要产生几十千赫以下的正弦波信号时，如果仍采用LC振荡器，则所需要L、C数值较大，使它们的体积增大，给振荡器的安装调试带来不便。因此，在需要较低频率正弦波振荡器时，通常采用RC振荡器。RC振荡器也是反馈型振荡器，它用电阻、电容构成选频网络，由于RC选频网络的选频作用差，所以输出波形和频率稳定度都较差。根据RC选频网络的不同形式，RC振荡器可分为移相式和桥式两种类型。4.5.1RC移相式振荡器移相式振荡器由一级反相放大器和三节以上RC移相电路组成，如图4-18所示。图4-18RC移相式振荡器图4-19RC串、并联网络及其频率特性图４-20文氏电桥振荡器图4-21改画成文氏电桥形式的振荡器电路4.6集成电路振荡器应用介绍集成电路振荡器是由集成电路加外接选频网络构成的。由集成运放代替分立器件晶体管，可以组成以上各节所介绍的正弦波振荡器，本节不再重复介绍。下面重点介绍两种集成振荡器：①单片集成振荡器E1648。②运用在彩色电视机色度解码电路中作基准色副载波恢复电路的压控振荡器（VCO）。4.6.1单片集成振荡器E1648E1648是中规模集成电路，其内部电路如图4-22所示。图4-22单片集成电路振荡器E1648的内部电路1.电路组成该电路由差分对管振荡电路、放大电路和偏置电路3部分组成。（1）差分对管振荡电路（又称索尼振荡器）在图4-22中VT7、VT8管与10、12脚之间外接LC回路组成差分对管振荡电路，其中VT9为可控恒流源。图4-23a为差分对管振荡电路的部分电路图，图4-23b为其交流等效电路。由图4-23b可以看出，它是一个共集-共基反馈式振荡电路，在LC回路的谐振频率时，共集-共基级联放大电路为同相放大电路，且增益可设计为大于1，因此电路满足相位和幅度平衡条件，可产生正弦波振荡输出。图4-23差分对管振荡电路图4-24E1648组成的正弦波振荡器E1648单片集成振荡器振荡频率可达200MHz，有两个输出端，3脚由内部VT1管发射极引出，另外可在1脚外接振荡回路，由1脚输出。如在10和12脚外接包括变容二极管在内的LC元件，则可构成压控振荡器；如果外接石英晶体，则可构成石英晶体振荡器。4.6.2副载波恢复电路中的压控振荡器压控振荡器是以电压来控制振荡频率的振荡器，其英文缩写为VCO。在电子通信设备中，压控振荡器（VCO）广泛使用于自动频率控制（AFC）、自动相位控制（APC）或锁相环路（PLL）系统中的振荡电路。彩色电视机中要对色度信号解调，就要恢复基准色副载波。副载波恢复电路中的压控振荡器（VCO）就是起这个作用。图4-25所示为副载波恢复电路中的压控振荡器，它是高通型可变相移网络与石英晶体串联组成的压控振荡器。图4-25串联型晶体压控振荡器4.7正弦波振荡器的选用上面已介绍多种正弦波振荡器，各种正弦波振荡器有不同的特性和使用范围。在电子设备中如何选用正弦波振荡器，是必须考虑的问题。4.7.1振荡器的类型选择首先要考虑的是正弦波振荡器的工作频率范围和频率的稳定